CN1050939A - 铁电材料载体的读写信息的方法及装置 - Google Patents

Abstract

这里所公开的是一种在基于铁电材料的信息载 体上读写以二进制存贮的信息的方法，其中：

写信息通过与信息位相对应的载体区的极化来 完成，被写区可为第一极化状态或者第二极化状态；

读信息通过光的方式来完成，信息载体响应于入 射光束而产生二次谐波光信号，其具有的幅度按照被 读区是处于第一极化状态还是处于第二极化状态来 变化。

读和写装置以及信息载体在这里也被公开。

Description

本发明涉及在基于铁电材料的载体（或介质）上进行信息的存贮和读出。可通过电写入或者光写入进行存贮，而通过光的方法进行读出。

数字光盘已被人们所熟知，这是以数字的形式写入数字块并可以用光的方法读出的盘。光盘的主要价值在于它们的高存贮容量。目前，市场上现有的类型有CCD-ROM（Compact  Disk  Read-Only  Memory）型盘以及WORM（Write-Once-Read-Many）型盘。由于RWM（Read-Write-Many）盘（即，可进行任意重写的盘）还不存在，目前最先进的技术是对应于WORM类型的。

现在的光盘写入原理是在一敏感层构成的（光）道上进行定位烧灼。通过一激光束在（光）道上的简单反射来读出。这使得被烧灼区可以以信息位的形式被识别出来成为可能。一般所获得的信息密度为10¹¹位/米²（即，每位10微米²），读出通过速率在10兆位/秒的范围。

发展和完善一种能被重写的光盘的研究主要涉及的是磁-光的方法。一激光束定位地加热于一种基于稀土金属的磁性材料。这种材料在可变磁场中被“冷却”为一特定的极化状态。读出的方法使用法拉第效应，即磁性材料中光极化旋转的原理。分辩率将通过使用激光束的确切定位加热来达到。然而，这一技术还未实现在市场上的应用。

此外还已知铁电材料能被用作记忆器件、但是，存贮的应用受到了使用极化的两种剩磁状态的限制，这是由于当极化改变后将产困难。因此，铁电材料不能对磁性存贮构成电考贝。已经提出了各种方法来获得没有这些缺陷的铁电存贮。这些方法有，在FR2，595，025中提出的读信息是热电物质的方法，以及在FR2，604，805中提出的读信息是介电物质的方法。

使用铁电聚合物作为光存贮材料的可能性已在T.R.奥格登（T.R.OGDEN）和D.M.古金（D.M.GOOKIN）的文章“铁电聚合物作为一种光材料”（Materials  Letters，Vol.3，No.3，January  1985）中作了报导，根据这篇文章，写入可通过一激光束对这类材料的特定区域进行有选择的加热和采用电场的方法来进行。按此方式写入的信息以光的方式被读出，这通过铁电材料的偶极子在电场作用下定向排列能引起双折射效应来实现。该读出方法的缺陷是其效率很低。实际上，作者宣称，对30微米厚的PVDF（聚偏氟乙烯）薄膜，读出光波的极化旋转仅为6°，信噪比很低，并且，读出光波检测器提供出的电流强度对于对应0位的膜区与对应1位的膜区仅能反映出2%的差值。

本发明的目的在于设计一个使用多次读写载体进行信息读写的系统，载体由铁电材料构成。信息可以由电写入或光写入的方式存贮。通过产生光信号的二次谐波，用光的方式来读出。这是一个极好的方式。

因此，本发明的目的是提供一种在基于铁电材料的信息载体上读写以二进制形式存贮的信息的方法，其中，

写信息通过对应于信息位的载体区的极化来完成，被写区可以是第一极化状态或是第二极化状态;

读信息通过光的方式来完成，信息载体响应于入射光束产生二次谐波光信号，其具有的幅度按照被读区是处于第一极化状态还是处于第二极化状态而变化。

本发明的另一个目的是提供一种在基于铁电材料的信息载体上读写以二进制形式存贮的信息的装置，其载体的一个区对应于每个信息位，所述的装置包括：

能够对铁电材料施加极化电场以使所有载体区均处于第一极化状态的装置;

能够使特定的载体区处于第二极化状态以获得写入作用的装置;

用于以光方式读出写在载体上的信息，能够检测由信息载体区产生出的二次谐波信号的装置。

而本发明的另一目的是提供一种基于铁电材料的信息载体，信息被存贮于铁电材料区中，其中，载体至少具有一个能够将电场施加在铁电材料区的电极。

通过下面的以非限定性方式给出的描述并结合所附附图，本发明将被更清楚地理解，且其它的优点也将被展现出来，其附图为：

图1是表示铁电材料极化的滞后曲线图;

图2是表示铁电材料极化值随温度变化的函数曲线图;

图3、4表示的是根据本发明的一种信息载体;

图5表示的是根据本发明的一种变化采用电方式写入的装置结构原理图;

图6表示的是根据本发明的一种变化采用热方式写入的装置结构原理图;

图7表示的是根据本发明的读出装置。

当电场

施加到电介质上时，构成电介质材料的带电粒子（即电子或电离的原子）从它们的平衡位置上移动一定的距离，这个距离是电场强度 、这些粒子所受到的静电回拉力、所施加电场频率以及电介质分子排列的函数，其结果是材料的极化，它被表示为矢量 并被定义为等于（a）被移动电荷的密度与（b）代表这一移动的矢量的乘积。在电场

和与材料有关的极化矢量

之间，如果所加电场强度不过强，则有一个矩阵关系式：

＝‖X‖·

如果介质是各向同性的，‖X‖被简化为一标量，在各向异性介质的一般情况，‖X‖是一张量。

然而，如果具有光频率的强电磁场被施加到电介质上，所感应的极化将不再正比于所施加的场，而是具有与所施加场的平方和立方成正比的非线性项。在弗兰肯（FRANKEN）发现了石英晶体在受到红宝石激光的照射而产生二次谐波后（P.A.FRANKEN，A.E.HILL，C.W.PETERS，G.WEIMRIH，Phys.Rev.Lett.，Vol.7，1961，P.118），人们对这些非线性极化的所有效应已进行了研究。

通过以所加电场整数级数的形式展开所感应的极化来描述介质对所施加的电磁场的响应是可能的：

＝P′ + ‖X⁽¹⁾‖· +‖X⁽²⁾‖·｜E｜·

+‖X⁽³⁾‖·｜E｜²·

+..

如果电介质是铁电材料，则P'不为零。

感应极化展开式的第一项代表线性极化，而第n项表示介质对施加场的第n次非线性响应，系数X^（n）是（n+1）阶张量，它被称作第n次极化率张量。

中所含的不同项随次数n很快地减小，只有当以激光束为代表的强光源出现后，才使得利用与二次极化率相对应的非线性电光效应成为可能。

对于一定的电介质并且在一定的条件下，由入射光束感应出的并与存贮能量相对应的极化，能产生出以两倍于入射波频率振荡的波辐射。这与一部分存贮能量的复原相对应。

对于任意一种电介质，通过非线性效应，能够产生入射光束二次谐波的必要条件是二次极化率张量不为零，由于张量X^（n）是根据晶体的性质来确定的，因而利用介质的对称性质可以明显地将张量X^（n）独立系数限制到3^（n+1）。于是X^（2）将仅在非中心对称介质时不为零，因此排除了在薄层光学（thin-layer optics）中常用的所有非晶体介质（玻璃、标准聚合物）。

目前，在非线性光学中通常用于产生二次谐波现象的大多数材料是无机单晶体，如铌酸锂或磷酸二氢钾（KDP）。然而，在这一领域中，有机化合物有许多超过无机盐的优点。事实上，在光学领域的频率上，它们产生出的非线性效应是源于纯电子的，这导致了这些材料的几乎瞬时的响应，并使它们很适合用于光信号超快速处理的场合。此外，它们还具有较高的光损坏阈值（也可以说光折射率）。最后，它们在分子工程中有很大的潜力，使得有可能获得具有较高的二次极化率的材料。

具有光功能（倍频器、调制器、参量振荡器、光混频器、等等）的有机材料可以从不同类型的材料中以及用不同的具体方法来获得。

一类具有很高的非线性响应和能够产生电磁波的二谐波的有机分子的有序结构是由聚合物构成的。聚合物薄膜特别有用，因为它们可用于很大面积（相比较于用单晶体获得的尺寸）的场合并可覆在不同性质的片基上，最后，与单晶体相比，它们还可以极廉价地且高速度地被生产出来。

已知那些非线性系数高的大多数（约80%）有机分子是以中心对称的结构结晶的，这导致了x²＝0。为了使该项不为零，就需要在非线性光学中选择有效的分子。

基于具有天然的磁化性质这一事实，铁电材料形成了一非中心对称系统。如果它们对于电磁波和非线性谐波（假设有高的反射系数）均是透明的，则可被用于谐波产生。在许多铁电材料中，如已提到过的KDP或锂铌酸盐，可以发现它们符合这一要求。

根据本发明，基于铁电材料的信息载体可被用来将信息块以二进制的形式存贮。铁电材料可以以层的形式附着在一片基上。采用涂覆来附着铁电聚合物可很容易地获得这种结构。这种信息载体还包括使极化电场能施加到铁电材料层的电极。

根据本发明，写入包括将铁电材料区设置为特定的极化状态：第一极化状态对应于0位，第二极化状态对应于1位，用两种方法可进行写入。

第一种方法包括采用电场来获得一个由该电场确定的特定极化状态。图1表示出的电压V（对应于所施加的电场E）为变量的极化P的滞后曲线，每个区受到一个可识别的极化。根据所设电压V，有可能得到两个极化状态（以-P0到+P0），一个对应于0位，另一个对应于1位。

第二种进行写入的方法采用热方法获得一特定的极化状态。图2表示出以铁电材料的温度为变量的极化P的函数。根据一个区所受到的温度，它将保持一极化的特定值，或者，如果温度等于或大于居里温度Tc则无任何值。

根据本发明，信息的读出以光的方式通过产生二次谐波来完成，该二次谐波响应于一个照射在被写区上的激光束。由于铁电层产生的二次谐波光通量强度I_（2ω）为：I_（2ω）＝K×P²（K是比例系数），这对于读出对应于二个不同的极化状态（一个对应于0位，另一个对应于1位）的信号是有利的。它使得采用本发明的方法成为可能，因为写成Po极化区和零极化区是可能的。例如，零极化区可对应于0位，Po极化区对应于1位。

如果想采用电的方式写入，较好的方式是：

如图3、4所示，信息载体由附着在片基2的铁电材料层1（较好的是聚合物薄膜）构成，片基可由玻璃制成，层1位于两组透明电极之间，这两组电极被安排形成一个具有行3和列4的矩阵排列。电极可由锡和铟的混合氧化物（ITO电极）制成。行和列的交叉点确定出可进行写入的存贮区。

写入过程如下，假设所有的存贮区处于-Po极化状态，存贮区行3被设为等于0或V_L的电压，而列4被设为电压+V_L或-V_C。根据图1表示的滞后曲线，电压V_L和V_C选择为，当电压为V_L-V_C时得到零极化，而当电压为V_L+V_C时得到+Po极化。为实现一个行写入，必须将V_L电压加到该行上且其它行加上零电压，并根据所需要的极化状态在列上加+V_L或-V_C电压。受到电压V_L+V_C的铁电材料区将处于状态Po，受到电压V_L-V_C的区将处于状态0。相邻行的区仅受到电压+V_C或-V_C，这并不改变它们处于-Po状态。于是，写入可以这样一行一行地进行。在将-V_L加于所有行且-V_C加于所有列时，所有存贮区受到一个-（V_L+V_C）的电压并翻转为-Po状态。这时，系统可被重新写入。

如果想采用热的方式进行写入，则较好的方式是：如上所述，信息载体包括一个附着在一片基上的铁电材料层，必须有可能将极化电场加到铁电材料层上。为此，可以采用附着在片基和铁电材料层之间的连续电极，并用电晕效应来获得极化。

写入方式如下，首先铁电层通过电晕效应被极化，例如极化为+Po。然后利用激光束，定位地加热铁电材料层的特定区，以使这些区超过居里温度以获得零极化。例如，未被加热而被极化的区对应于1位，被加热而被去极化的区对应于0位。

可以使用一个具有10微米厚的聚（偏氟乙烯-三氟乙烯）（P（VDF-TrEE））铁电材料层，对此，居里温度根据共聚物中TrEE的比例在55℃至140℃之间变化。对于比例为70/30（70%的VDF，30%的TrEE）的共聚物，其居里温度为110℃，需要施加30微焦耳/毫米²的能量持续100毫微秒，即300瓦/毫米²的功率密度，这相当于波长为0.6微米的30毫瓦激光源，激光束聚焦在约微米²（一个可写区的面积）的面积上。极化区可以以10兆位/秒的速率写入。

能够进行写入的实际具体装置对熟悉本技术的人来说不存在特别的困难。的确，无论是电写入或热写入，装配写入装置的各个不同单元是已知的。

图5给出一个以电方式写入的装置的结构原理图。要被写入存贮器10内的信息块以电的形式被送到电路11中，电路11分离相应的写入信号，通过行控制电路12（通过电连接14）和列控制电路13（通过电连接15）将它们送到存贮器。此种装置也被用于液晶显示屏的控制。

图6给出一个采用热方式写入的装置的结构原理图。标号2代表信息载体，在此情况下，它由一个透明片基21，一个透明电极22和一铁电聚合物层23构成，片基可由玻璃制成，其最大厚度为1毫米。电极22由例如ITO制成。层23的厚度约为10微米。靠电晕效应完成的极化系统用赋以24标号的方式被表示出来。对于写入过程，铁电材料层23首先通过电晕效应被全部极化，电极22这时接地。极化可通过保持极化系统固定并移动信息载体来进行。如果载体要保持固定，则第二电极要附着到铁电材料层23上，而极化将通过简单地在夹在两个电极之间的层23上施加电场来完成。透过片基21和电极22，激光束25加热区26使之超过居里温度来完成写零。能够使激光束在一个平面上做快速移动的装置也是熟知的，并不需要给出较详细的描述。

以光的方式读出信息块可采用具有波长在1.55至0.8微米之间的激光束来完成。

图7示出根据本发明的读出装置的原理。所示记录载体为图6中的载体，它属于热方式写入的系统，但与已被电写入的记录载体的读出方式是完全相同的。读出激光束30连续地探测被读区，如27。一个Po极化区产生入射光束两倍频率（即，在所设条件下，波长为0.87至0.4微米）的光束31。光束31通过透镜32被聚焦在给处理电路（未示出）提供信号I_（2ω）的光检测33上。该信号的幅度与Po²成正比。非极化区不产生2ω频率的光束。为接收到最大幅度的信号，轴35（写入光束轴）与轴36（生成光束轴）之间的夹角较佳的是在54°至57°之间。

读出速度要受到由铁电材料产生的二次谐波光通量强度的限制。对于厚度为10微米的层，0.96微米波长聚焦在10微米²面积上的30毫瓦激光源产生0.48微米波长的光功率为20微瓦，即，得到约为10^-3倍的功率，这个功率相当于在100毫微秒发射10⁷光子。在用作光检测器的硅光电二极管中所产生的电子数约为10⁷。这个数值应与结电容噪声相比，<Q²>＝Cj×KT（Cj约等于10微微法），它大约为4·10²e。因为信噪比为10⁴，1位和0位之间的读出反差是足够的。这一计算表明二次谐波信号可被用作10兆位/秒速率的读出信号。

为定位地或全部擦除存贮，定位地或全部地加热信息载体至居里温度就足够了。

本发明的另一个优点是其信息载体的造价低且存贮密度高。据此，考虑将此载体用作WORM型存贮器是可能的。

为了进一步改善极化区和非极化区之间的读出反差，可以在铁电材料中包含一定量（按重量计算的0.1%至10%）的具有高非线性系数的分子。例如，浓度为10%（以重量计算）的4-（4’氰基苯偶氮基）-NN-二-（甲氧基羰基甲基）-苯胺改善产生二次谐波效率I_2ω/Iω为100倍（见J.R.HILL，P.L.DUNN，G.J.DAVIES，S.N.OLIVER，P.PANTELIS，J.D.RUSH，Electronics Letters 23，1987，PP.700-701）。

Claims (12)

1、一种在基于铁电材料的信息载体上读写以二进制的形式存贮的信息的方法，其中：

写信息通过对应于信息位的载体区的极化来完成，被写区既可以是第一极化状态也可以是第二极化状态；

读信息通过光的方式来完成，信息载体响应于入射光束而产生二次谐被光信号，其具有的幅度按照被读区是处于第一极化状态还是处于第二极化状态来变化。

2、根据权利要求1的方法，其中在载体区上的写入由施加外部电场来完成。

3、根据权利要求2的方法，其中所施加的外部电场值可以获得与极化最大值相对应的第一极化状态。

4、根据权利要求2或3的方法，其中所施加的外部电场值可以获得与极化零值相对应的第二极化状态。

5、根据权利要求1的方法，其中在载体区上的写入由热方式来完成，该方式包括下面两个相继的步骤：

施加一电场，用于将全部记录载体区设置为非零极化状态或第一极化状态，

将载体区温度加热到至少等于居里温度，使之处于第二极化状态。

6、根据权利要求5的方法，其中载体区的加热通过采用激光束的方法来完成。

7、一种在基于铁电材料的信息载体上读写以二进制的形式存贮的信息的装置，载体的一个区对应信息的每一位，所述的装置包括：

能够对铁电材料施加极化电场以使所有载体区均处于第一极化状态的装置;

能够使特定的载体区处于第二极化状态以完成写入的装置;

用于以光方式读出写在载体上的信息、能够检测由信息载体区产生出的二次谐波信号的装置。

8、根据权利要求7的装置，其中能够将特定的载体区设置为第二极化状态的装置由能够将一极化电场提供给载体每个区的电路构成。

9、根据权利要求7的装置，其中能够将特定的载体区设置为第二极化状态的装置由能够将载体区的温度升高等于或大于居里温度的光束构成。

10、根据权利要求7至9的任一权利要求的装置，它还包括将载体温度加热至等于或大于居里温度使能够定位地或全部地将已写信息擦除的装置。

11、一种基于铁电材料的信息载体，信息存贮在铁电材料区内，其中载体包括至少一个能够将电场施加到铁电材料区上的电极。

12、根据权利要求11的信息载体，其中，铁电材料采取层的形式，该层位于两组附着在其上成行列矩阵排列的、并由行列的交叉点定义为所述铁电材料区的电极之间。

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